JP3744456B2

JP3744456B2 - 燃料電池搭載車両の制御装置

Info

Publication number: JP3744456B2
Application number: JP2002105544A
Authority: JP
Inventors: 幸一赤堀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: JP2003304606A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池搭載車両の制御装置に係り、特に高電圧で駆動される補機を燃料電池起動時に低電圧のバッテリ電圧を昇圧して駆動する燃料電池搭載車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に車両駆動用の燃料電池は、多数のセルを直列接続したスタックとして構成され、数百Ｖを得ている。このような燃料電池の補機には、空気を圧縮して酸化剤ガスとして供給するコンプレッサ、燃料ガス及び又は酸化剤ガスを純水を用いて加湿する加湿器、燃料電池スタック用の冷却水を循環させる冷却水ポンプ、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ等がある。
【０００３】
これらの補機類は、コンプレッサモータ、加湿器へ純水を供給する純水ポンプ駆動モータ、冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータ等のモータ類により駆動される。これら補機用のモータには、燃料電池の発電電圧で駆動する高電圧駆動のモータと、燃料電池の発電電圧より低い２次電池の低電圧で駆動するモータとが考えられる。
【０００４】
補機類のモータとして高電圧駆動を選択すれば、モータ自体の導体損を低減できるとともに、モータに至るワイヤーハーネスの直径を小さくし小型軽量化できるという利点があるが、起動時に２次電池から昇圧して補機類のモータへ供給すべき電力が増大し、ＤＣ／ＤＣコンバータの容量が増加するという欠点がある。
【０００５】
一方、補機類のモータとして２次電池の電圧である低電圧駆動を選択すれば、２次電池の電圧と燃料電池の出力電圧とを相互に変換するＤＣ／ＤＣコンバータの容量が少なくて済むという利点があるが、上記導体損やワイヤーハーネスの寸法・重量が嵩むという欠点がある。
【０００６】
一般的には、補機類のモータの出力が数ｋＷとなる場合は、高電圧駆動を選択する方が総合的なメリットがあるといわれている。
【０００７】
高電圧駆動の補機モータを備えた従来例としては、特開２００１−２２９９５０号公報記載の技術が知られている。この従来技術は、燃料電池スタックで発電を行うのに必要な補機（例えば、酸化剤極を空気に供給するためのコンプレッサ）を高電圧（例えば３５０Ｖ）にて駆動するシステムである。
【０００８】
そして、２次電池として１２Ｖ程度の低電圧バッテリと、昇圧モード及び降圧モードを有し２次電池電圧と燃料電池出力電圧とを相互に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを有し、燃料電池スタックの起動時にはＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードにして低電圧バッテリの電圧を昇圧してコンプレッサを駆動していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術にあっては、ＤＣ／ＤＣコンバータで低電圧を高電圧に昇圧する際には、降圧モードから昇圧モードに切り替えるのに時間がかかり、出力電圧が所定の電圧になるまでに時間がかかってしまう。
【００１０】
従って、高電圧で駆動される補機が作動するまでに時間がかかり、燃料電池スタックが起動して実際に所定の電圧を発生するまでの時間である起動時間が長びくという問題点があった。
【００１１】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、高電圧で駆動する補機類を備えた燃料電池システムの起動時間を短縮することができる燃料電池搭載車両の制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池と、燃料電池の出力電圧近傍の高電圧によって駆動される補機と、燃料電池の出力電圧よりも低い低電圧のバッテリと、燃料電池の負荷が低負荷状態であることを判定するアイドル判定手段と、燃料電池の出力電圧を前記低電圧バッテリの出力電圧相当に降圧する降圧モードと前記低電圧バッテリの出力電圧を燃料電池の出力電圧相当に昇圧する昇圧モードを持ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り替えることのできる電圧変換手段と、を備えた燃料電池搭載車両の制御装置において、前記アイドル判定手段が低負荷状態であると判断した時は、燃料電池の発電を停止させ、前記電圧変換手段を昇圧モードに切り替えることを要旨とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置において、前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下であり、且つブレーキが操作されている時を低負荷状態と判断することを要旨とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池搭載車両の制御装置において、前記車両は、走行レンジと非走行レンジのシフトポジションを選択可能であり、前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下であり、且つシフトポジションが非走行レンジの時を低負荷状態と判断することを要旨とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置において、前記アイドル判定手段により低負荷状態から低負荷状態でないと判断された時に、直ちに前記補機を駆動させることを要旨とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置において、前記高電圧で駆動される補機は、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するコンプレッサ、燃料電池スタックなどを冷却する冷却水を循環させるポンプを駆動するモータ、加湿器への純水を循環させるポンプを駆動するモータ、ラジエータファンを駆動するモータの少なくとも１つであることを要旨とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置において、イグニッションオフによりシステムを停止する時は、前記電圧変換手段を降圧モードにすることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池を低負荷状態から再起動させる時には、すでに電圧変換手段は昇圧モードで機能しているため、電圧変換手段の出力電圧の上昇を待つ必要がなくなり、再起動時の起動時間を短縮することができるという効果がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る制御装置を適用した燃料電池搭載車両の一実施形態を説明する構成図である。
【００２０】
図１において、燃料電池搭載車両は、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給する水素及び空気を加湿する加湿器２と、空気を圧縮して加湿器２へ送るコンプレッサ３と、空気の圧力及び流量を制御するスロットル４と、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンク５と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ６と、水素系の通路を大気開放して燃料電池内部の水を外部に排出するパージ弁７と、燃料電池から出てきた未使用の水素を上流へ還流するためのイジェクタ８と、加湿器２に加湿用の純水を供給する純水ポンプ９と、燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ１０と、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、低電圧バッテリ１３と、燃料電池から出力を取り出す駆動ユニット１４と、ブレーキセンサ１５と、車速センサ１６と、イグニッションスイッチ（ＩＧＮＳＷ）１７と、インヒビタＳＷ１８と、各センサの信号を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ１９とを備えている。
【００２１】
燃料電池スタック１は、多数のセルが積層され約３５０Ｖの高電圧を出力するものである。コンプレッサ３は、燃料電池の出力電圧近傍の高電圧（約３５０Ｖ）で駆動される補機である。駆動ユニット１４は、燃料電池から高電圧が供給されて、車両駆動トルクを発生するモータである。
【００２２】
低電圧バッテリ１３は、電圧約１２Ｖの低電圧バッテリであり、通常運転時に燃料電池の発電電圧を降圧して充電され、燃料電池の起動時に高電圧駆動の補機であるコンプレッサ３へ電力を供給するものである。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、燃料電池スタック１の発電出力電圧である高電圧（約３５０Ｖ）を低電圧バッテリ１３の電圧（１２Ｖ）相当に降圧する降圧モードと、低電圧バッテリ１３の電圧を燃料電池の出力電圧相当に昇圧する昇圧モードを持ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り替えることのできる電圧変換手段である。昇圧モードでは、低電圧バッテリ１３の電圧を昇圧して高電圧（約３５０Ｖ）をコンプレッサ３に供給する。また、降圧モードでは燃料電池スタック１の発電する高電圧を降圧して、低電圧バッテリ１３を充電する。
【００２４】
燃料電池スタック１とコンプレッサ３とＤＣ／ＤＣコンバータ１２と駆動ユニット１４とは、高電圧回路で互いに接続されている。燃料電池スタック１で発電された高電圧電力は、コンプレッサ３及び駆動ユニット１４に供給されて、コンプレッサ３及び駆動ユニット１４を駆動すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２で降圧されて約１２Ｖの低電圧バッテリ１３を充電する。
【００２５】
次に、上記構成による燃料電池システムの動作を説明する。
コンプレッサ３は空気を圧縮して加湿器２へ送り、加湿器２は純水ポンプ９で供給された純水を用いて空気を加湿し、加湿された空気が燃料電池スタック１の酸化剤極へ送り込まれる。
【００２６】
一方、高圧水素タンク５からは高圧水素が可変バルブ６へ送られ、可変バルブ６は水素圧力を減圧するとともに水素流量を制御してイジェクタ８へ送る。イジェクタ８は、可変バルブ７からの新規水素ガスと環流水素ガスとを混合、合流させ、加湿器２へ送る。加湿器２は空気と同様に純水ポンプ９で供給された純水で水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック１の燃料極へ送り込まれる。
【００２７】
燃料電池スタック１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電圧）を駆動ユニット１４へ供給する。
【００２８】
燃料電池スタック１で反応に使用した残りの空気は燃料電池外へ排出され、スロットル４で圧力制御が行われた後、大気へ排出される。また、反応に使用した残りの水素は燃料電池スタック１から排出されるが、イジェクタ８によって加湿器２の上流へ環流されて発電に再利用する。
【００２９】
コントローラ１９では、各センサから読み込んだ各検出値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値になるように、コンプレッサ３，スロットル４，可変バルブ６，純水ポンプ９を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されているガス圧力に応じて燃料電池スタック１から駆動ユニット１４へ取出す出力（電流値）を指令し制御を行う。
【００３０】
また、コントローラ１９は、ブレーキセンサ１５と、車速センサ１６と、イグニッションＳＷ１７と、インヒビタＳＷ１８の各信号を入力し、これらの信号に基づいて、低負荷状態であることを判定するアイドル判定手段の役割を兼ねる。
【００３１】
なおシフトポジションは走行レンジ（Ｄ、Ｒレンジ）と非走行レンジ（Ｐ、Ｎレンジ）を有し、インヒビタＳＷ１８は、走行レンジか非走行レンジかの信号をコントローラ１９へ出力するものとする。
【００３２】
本実施形態にあっては、低負荷状態時に空気及び水素の供給を止めて燃料電池スタック１の発電を一時停止させる。このときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を昇圧モードに切り替えておき、いつでも低電圧バッテリ１３からＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して高電圧駆動の補機であるコンプレッサ３に電力を供給できるようにする構成とした。
【００３３】
アイドル判定手段は、車速が所定車速以下（例えば車速が４ｋｍ／ｈ以下）、且つブレーキを踏んでいる時で、且つシフトポジションが非走行レンジ（ＰレンジまたはＮレンジ）の時に低負荷状態と判断する。
【００３４】
また、低負荷状態であると判断されて燃料電池スタック１の発電を停止している状態から低負荷状態でないと判断された時には、駆動ユニット１４に電力供給の必要がない場合であっても、直ちに補機を駆動させる構成とした。
【００３５】
高電圧で駆動する補機を燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサ３とする構成とした。
【００３６】
この他、燃料電池スタック１などを冷却する冷却水を循環させる図示しない冷却水ポンプを駆動するモータ、図示しないラジエータファンを駆動するモータ、加湿器２へ純水を循環させる純水ポンプ９を駆動するモータなどを高電圧で駆動する補機としても良い。
【００３７】
イグニッションＳＷ１７がオフされた場合に、燃料電池スタック１を停止させる時は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を降圧モードにする構成とした。
【００３８】
次に、図２の状態遷移図を参照して、制御装置であるコントローラ１９による制御を説明する。
Ｓ２０１は、通常の運転状態であり、燃料電池スタック１は駆動力に応じた発電を行う。イグニッションＳＷ１７がオフになったら、Ｓ２０２へ進む。また、低負荷状態であると判断されたら、Ｓ２０６へ進む。また、それ以外のときは、通常運転状態を保持する。
【００３９】
Ｓ２０２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を降圧モードにする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が降圧モードに切り替わったらＳ２０３へ進む。
Ｓ２０３では、高電圧で駆動される補機であるコンプレッサ３を停止する。補機が停止したら、Ｓ２０４へ進む。
【００４０】
Ｓ２０４では、燃料電池スタック１の発電を完全停止する。Ｓ２０４でイグニッションＳＷがオンされると、Ｓ２０５へ進み、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を昇圧モードに切り替える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が昇圧モードに切り替わったら、Ｓ２０９へ進む。
【００４１】
Ｓ２０６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を昇圧モードに切り替える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が昇圧モードに切り替わったら、Ｓ２０７へ進む。
Ｓ２０７では、補機を停止し、補機停止したらＳ２０８へ進む。
Ｓ２０８では、燃料電池スタック１を一時停止する。そして、低負荷状態でなくなったら、Ｓ２０９へ進み、イグニッションＳＷ１７がオフになったら、Ｓ２０２へ進み、低負荷状態であれば状態を保持する。
【００４２】
Ｓ２０９では、補機を駆動させる。補機が駆動したらＳ２１０へ進む。
Ｓ２１０では、燃料電池スタック１を起動して電力を取り出す。燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以上になったらＳ２１１へ進む。
Ｓ２１１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を降圧モードに切り替える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が降圧モードに切り替わったら、Ｓ２０１へ進む。
【００４３】
ここでＤＣ／ＤＣコンバータ１２の補足説明をする。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いた直流電圧変換器であり、降圧モードと昇圧モードとを備え、１２Ｖと３５０Ｖとの間を相互に電圧変換可能となっている。
【００４４】
燃料電池スタックの発電を停止させると、高電圧を補機に供給できなくなるため、起動時などは、ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードとして、図３に示すように、低電圧のバッテリの出力１２Ｖを３５０Ｖに昇圧して、３５０Ｖを供給し、補機類を駆動する。
【００４５】
逆に、燃料電池スタックが発電している時は、ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モードとして、３５０Ｖを１２Ｖに降圧させて、低電圧バッテリに充電している。
【００４６】
燃料電池スタックを停止させる時は、何もしなければ、ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧モードのままである。イグニッションオフ時は、降圧モードにしておいた場合は、燃料電池スタックが発電を行わないため、ＤＣ／ＤＣコンバータの端子に電圧が発生することはない。
【００４７】
また、低負荷時に燃料電池スタック停止中にＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モードにしておいた場合には、図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が立ち上がってから（Ｔ１以後）でないと、補機を駆動させることが出来ないので、燃料電池スタックが再起動して所定の電圧を発生させるまでに時間（Ｔ２）がかかる。
【００４８】
しかし、本発明を適用すると、図５に示すように、低負荷状態になり燃料電池スタックを一時停止させる時に、ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードに切り替えておくため、燃料電池スタックの再起動の要求が出たら直ちに補機を駆動させることが可能なため、燃料電池スタックが所定の電圧を発生させるまでの時間（Ｔ３、Ｔ３＜Ｔ２）が短くなる。
【００４９】
以上説明した本発明によれば、以下に示す効果がある。
【００５０】
（１）低負荷と判断された時に燃料電池の発電を停止して、電圧変換手段を昇圧モードに切り替えることにより、燃料電池を再起動させた時には、すでに電圧変換手段は昇圧モードで機能しているため、電圧変換手段の出力電圧の上昇を待つ必要がなくなる。
低負荷と判断された時の燃料電池の発電の停止の場合には、イグニッションオフによる通常の停止の場合よりも特に再起動時の起動時間を短縮させる必要があるが、本発明では起動時間を十分短く出来るために、低負荷と判断された時の燃料電池の発電の停止を行うことが出来燃費を向上する。
【００５１】
（２）車両が低車速で、ブレーキが踏まれている時は、駆動力を発生させる必要がない時間がしばらく継続する可能性が高いので、この時に燃料電池を停止することでより効果的に、水素消費量を抑えることができる。
【００５２】
（３）さらに、シフトポジションがＰレンジやＮレンジの時は、駆動力を発生させる必要がない時間がしばらく継続する可能性が高いので、この時の燃料電池を停止することでより効果的に、水素消費量を抑えることができる。
【００５３】
（４）低負荷時に燃料電池の発電を停止している場合に、低負荷でないとの判断された時には、目標駆動力が出てから補機を作動させていては、補機作動による遅れ分が生じてしまうが、低負荷でないと判断されたら直ちに補機を作動させることにより、補機の動作による遅れがなくなる。
【００５４】
（５）コンプレッサや、ポンプやラジエータファンを駆動するモータなどは、消費電力が比較的大きいため、１２Ｖなどの低電圧で駆動するより、３５０Ｖなどの高電圧で駆動する方が効率が良いので、電力消費量が少なくなる。
【００５５】
（６）イグニッションオフなどにより、システムを停止する時に、燃料電池スタックを停止させる場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モードにしておくので、低電圧バッテリに充電され、次回の起動時に必要な電力を低電圧バッテリから充分に賄うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池搭載車両の制御装置の一実施形態を説明するシステム構成図である。
【図２】実施形態の制御を説明する状態遷移図である。
【図３】燃料電池スタック発電停止時にＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードにした時の電流を説明する図である。
【図４】従来技術による比較例における（ａ）アイドル判定、（ｂ）ＤＣ／ＤＣコンバータの動作モード、（ｃ）ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、（ｄ）燃料電池出力電圧を示す図である。
【図５】実施形態における（ａ）アイドル判定、（ｂ）ＤＣ／ＤＣコンバータの動作モード、（ｃ）ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、（ｄ）燃料電池出力電圧を示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…加湿器
３…コンプレッサ
４…スロットル
５…高圧水素タンク
６…可変バルブ
７…パージ弁
８…イジェクタ
９…純水ポンプ
１０…空気圧力センサ
１１…水素圧力センサ
１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３…低電圧バッテリ
１４…駆動ユニット
１５…ブレーキセンサ
１６…車速センサ
１７…イグニッションＳＷ（ＩＧＮＳＷ）
１８…インヒビタＳＷ
１９…コントローラ

Claims

燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池と、
燃料電池の出力電圧近傍の高電圧によって駆動される補機と、
燃料電池の出力電圧よりも低い低電圧のバッテリと、
燃料電池の負荷が低負荷状態であることを判定するアイドル判定手段と、
燃料電池の出力電圧を前記低電圧バッテリの出力電圧相当に降圧する降圧モードと前記低電圧バッテリの出力電圧を燃料電池の出力電圧相当に昇圧する昇圧モードを持ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り替えることのできる電圧変換手段と、
を備えた燃料電池搭載車両の制御装置において、
前記アイドル判定手段が低負荷状態であると判断した時は、燃料電池の発電を停止させ、前記電圧変換手段を昇圧モードに切り替えることを特徴とする燃料電池搭載車両の制御装置。
前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下であり、且つブレーキが操作されている時を低負荷状態と判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
前記車両は、走行レンジと非走行レンジのシフトポジションを選択可能であり、
前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下であり、且つシフトポジションが非走行レンジの時を低負荷状態と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
前記アイドル判定手段により低負荷状態から低負荷状態でないと判断された時に、直ちに前記補機を駆動させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
前記高電圧で駆動される補機は、
燃料電池スタックに酸化ガスを供給するコンプレッサ、燃料電池スタックなどを冷却する冷却水を循環させるポンプを駆動するモータ、加湿器への純水を循環させるポンプを駆動するモータ、ラジエータファンを駆動するモータの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
イグニッションオフによりシステムを停止する時は、前記電圧変換手段を降圧モードにすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。